3 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 3 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες Χρήσης Creative Commons. για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ, ΠΟΡΩΔΕΣ, ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΤΗΤΑ, ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ, ΥΓΡΟΣΚΟΠΙΚΟΤΗΤΑ ΘΕΡΜΙΚEΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΕΛΑΣΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΑΝΤΟΧΗ (ΘΛΙΨΗ, ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΣ, ΔΙΑΤΜΗΣΗ, ΚΑΜΨΗ) ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΠΟΛΥΑΞΟΝΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗ ΕΡΠΥΣΜΟΣ ΚΑΙ ΧΑΛΑΡΩΣΗ ΚΟΠΩΣΗ ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΚΡΟΥΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ ΚΑΙ ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΠΥΡΚΑΪΑ ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ (ΚΥΚΛΟΙ Ψ/Α, ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΦΘΟΡΑ) ΔΥΣΘΡΑΥΣΤΟΤΗΤΑ, ΠΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΠΛΑΣΤΙΜΟΤΗΤΑ ΑΠΟΣΒΕΣΗ 3

4 Πυκνότητα και πορώδες 4

5 Απορροφητικότητα (absorption) H ιδιότητα που έχουν τα δομικά υλικά να απορροφούν (χωρίς εξωτερική πίεση) κάποιο ρευστό, το οποίο συνήθως είναι νερό (οπότε και η αντίστοιχη ιδιότητα λέγεται υδαταπορροφητικότητα) Μ1- Μ 4 Υδαταπορ 24h(%) = 100 Μ Διαπερατότητα (penetrability) H ιδιότητα που χαρακτηρίζει την αντίσταση που προβάλλει ένα υλικό στη δίοδο ενός ρευστού όταν βρίσκεται σε επαφή με αυτό υπό ορισμένη πίεση. dq/dt = ρυθμός ροής του ρευστού μ = ιξώδες Δh = διαφορά πίεσης Α = επιφάνεια L = πάχος στοιχείου k = συν/της διαπερατότητας dq dt = k ΔhA L μ 4 Υγροσκοπικότητα (absorption) ιδιότητα που έχουν τα δομικά υλικά να απορροφούν υγρασία από την ατμόσφαιρα 5

6 Η μεταβολή των διαστάσεων δομικών στοιχείων ως αποτέλεσμα της μεταβολής της θερμοκρασίας ΔΤ ( o C), περιγράφεται με τη εξίσωση: Δl = α l ΔΤ Δl = μεταβολή διάστασης, l = αρχική διάσταση στοιχείου α = συντελεστής θερμικής διαστολής ή συστολής (επηρεάζεται από Τ) ΔΤ = μεταβολή της θερμοκρασίας. 6

7 Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας λ: το ποσό θερμότητας Q λ που διαφεύγει στη μονάδα του χρόνου (συνήθως μία ώρα) μέσω επιφάνειας 1m 2 υλικού πάχους 1m, όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο επιφανειών του εν λόγω υλικού είναι 1 C (W/mK ή kcal/mh C = 1.16W/mK). Σχηματική παράσταση του συντ/τη λ Η συνολική θερμότητα Q που διέρχεται μέσω σώματος επιφάνειας Α και πάχους d σε χρόνο t, όταν η θερμοκρασιακή διαφορά των δύο παράλληλων επιφανειών του είναι Δ Τ, προκύπτει από τη σχέση: R = n i i=1 i Q= λ ΔΤ d A t Συντελεστής θερμικής αντίστασης (κ=1/λ) d 1 n di 1 R = + + λ α λ α 1 i=1 i 2 7

8 Τάση: Τάση σε ένα "σημείο" υλικού ορίζεται η εσωτερική δύναμη που αναπτύσσεται στην περιοχή του σημείου ανά μονάδα επιφάνειας γύρω από αυτό. Ορθή τάση: δρα κάθετα στην επιφάνεια Διατμηματικη τάση: δρα εφαπτομενικά στην επιφάνεια α) Ορθές και (β) διατμητικές τάσεις 8

9 Παραμόρφωση: το αποτέλεσμα της εφαρμογής των τάσεων που αναπτύσσονται σε ένα στοιχείο είναι η μεταβολή των διαστάσεων του α) Ορθές και (β) διατμητικές παραμορφώσεις 9

10 Νόμος του Hooke (για μικρές παραμορφώσεις): «οι παραμορφώσεις που αναπτύσσονται σε ένα υλικό είναι ανάλογες με τις αντίστοιχες τάσεις (γραμμική ελαστικότητα)» Απλή περίπτωση εφελκυσμού (ή θλίψης), σ= Ε ε σ: τάση (MPa) Ε: μέτρο ελαστικότητας (ή μέτρο Young) - μονάδες τάσης. ε: ανηγμένη γραμμική παραμόρφωση Διάτμηση τ: τάση (MPa) G : μέτρο διάτμησης τ = G γ γ: ανηγμένη γωνιακή παραμόρφωση Λόγος Poisson (ή συντελεστής εγκάρσιας παραμόρφωσης), ν ε q v = - ε E G = 2(1+ ν) 10

11 Αντοχή (αντίσταση): η ικανότητα ενός υλικού να μεταφέρει φορτία Παράγοντες: γεωμετρία δομικού στοιχείου τρόπος φόρτισης ιδιότητες υλικού Απλοί τρόποι φόρτισης υλικών, (α) εφελκυσμός, (β) θλίψη, (γ) διάτμηση, (δ) κάμψη και (ε) στρέψη Αστοχία: όταν οι τάσεις (ή παραμορφώσεις) φθάσουν μερικές κρίσιμες (ή οριακές) τιμές, χαρακτηριστικές για κάθε υλικό και τύπο φόρτισης 11

12 Αντοχή (αντίσταση): η ικανότητα ενός υλικού να μεταφέρει φορτία Ενδεικτικά διαγράμματα τάσης-παραμόρφωσης και αντίστοιχη αντοχή για (α) μονοαξονική φόρτιση (εφελκυσμός, θλίψη) και (β) διάτμηση. 12

13 Καμπτική Αντοχή : η μέγιστη εφελκυστική τάση που υπολογίζεται σε δοκίμιο υπό κάμψη (δοκός) σύμφωνα με την τεχνική θεωρία της κάμψης (δηλαδή υποθέτοντας γραμμική κατανομή των τάσεων καθ' ύψος της διατομής), κατά τη στιγμή της θραύσης του δοκιμίου. Ορισμός καμπτικής αντοχής 13

14 Πολυαξονική Φόρτιση: οι τάσεις μετασχηματίζονται σε δύο (διαξονική ένταση) ή τρεις (τριαξονική ένταση) ορθές τάσεις, οι οποίες ενεργούν σε κάθετες μεταξύ τους διευθύνσεις απουσία διατμητικών τάσεων και λέγονται κύριες τάσεις Περιβάλλουσα αστοχίας F (σ 1, σ 2, σ 3 ) = 0 Κύριες τάσεις σε (α) διαξονική και (β) τριαξονική εντατική κατάσταση 14

15 Ερπυσμός: το φαινόμενο που χαρακτηρίζει την ιδιότητα ορισμένων υλικών να εμφανίζουν συνεχή αύξηση των παραμορφώσεων με το χρόνο, ενώ οι αντίστοιχες τάσεις παραμένουν σταθερές Χαλάρωση: το φαινόμενο της χαλάρωσης, που χαρακτηρίζει την ιδιότητα ορισμένων υλικών να εμφανίζουν συνεχή μείωση των τάσεων με το χρόνο, ενώ οι αντίστοιχες παραμορφώσεις παραμένουν σταθερές (α) Ερπυσμός και (β) χαλάρωση 15

16 Κόπωση : Η καταπόνηση ενός υλικού σε εναλλασσόμενη δυναμική φόρτιση καθορισμένης συχνότητας με τάση που δεν ξεπερνά συγκεκριμένα όρια (ελάχιστημέγιστη τάση) ονομάζεται κόπωση. Φόρτιση υλικού σε κόπωση (ενδεικτική μορφή συνάρτησης) Αντοχή σε κόπωση: ο αριθμός N 1 των κύκλων φόρτισης (δεδομένης συχνότητας) πριν την αστοχία για δεδομένες ακραίες τάσεις (σ min, σ max ), ή η μέγιστη τάση σ max που αντιστοιχεί σε δεδομένο αριθμό Ν κύκλων φόρτισης (καθορισμένης συχνότητας) και δεδομένη ελάχιστη τάση σ min. 16

17 Δυσθραυστότητα: αναφέρεται στην ικανότητα ενός υλικού να απορροφά ενέργεια κατά την παραμόρφωση του μέχρι τη θραύση Υπολογίζεται από το εμβαδόν της επιφάνειας που περικλείεται από την καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης Ορισμός της δυσθραυστότητα 17

18 Πλαστικότητα: αναφέρεται στην ικανότητα ενός υλικού να να αναπτύσσει πλαστικές παραμορφώσεις, δηλαδή σημαντικές μόνιμες παραμορφώσεις υπό σχεδόν σταθερή τάση, χωρίς να θραύεται Δείκτης πλαστιμότητας, μ ε : ε u μ ε = ε y ε u = παραμόρφωση κατά τη θραύση ε y = παραμόρφωση κατά τη δαρροή Πλαστιμότητα υλικού 18

19 Ανακυκλιζόμενη φόρτιση: εναλλαγή του προσήμου των τάσεων/παραμορφώσεων κατά τη διάρκεια κύκλων φόρτισης - αποφόρτισης επαναφόρτισης. Απόσβεση, n: η ενέργεια παραμόρφωσης που χάνεται με τη μορφή π.χ. θερμότητας, κατά τη διάρκεια ανακυκλιζόμενης φόρτισης. D n = 2πU D: η απώλεια ενέργειας σε έναν πλήρη κύκλο φόρτισης-αποφόρτισηςεπαναφόρτισης U: η μέγιστη ενέργεια παραμόρφωσης Ανακυκλιζόμενη φόρτιση: χαρ/κα μεγέθη του συντελεστή απόσβεσης η 19

20 Θερμική Αντοχή: η ικανότητα των υλικών να διατηρούν σχεδόν αμετάβλητες βασικές μηχανικές τους ιδιότητες (π.χ. αντοχές, μέτρο ελαστικότητας), σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες Αντοχή σε πυρκαϊά: η ικανότητα των υλικών να μην παραμορφώνονται σημαντικά και να διατηρούν σημαντικό ποσοστό της αντοχής τους όταν υποβάλλονται σε πυρκαϊά και στο συνδυασμό πυρκαϊάς και νερού πυρόσβεσης (που έχει ως αποτέλεσμα την απότομη ψύξη του υλικού) επί αρκετές ώρες. 20

21 Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια: αναφέρεται μόνο (εν μέρει) στις μηχανικές ιδιότητες των υλικών ικανότητα των υλικών να να αντιστέκονται στην αλλοίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών τους Κύκλοι ψύξης/απόψυξης: αντοχή σε παγετό είναι η ικανότητα ενός κορεσμένου με νερό υλικού να υποστεί διαδοχικούς κύκλους (περίπου 25-40) πήξης και τήξης του νερού χωρίς να παρουσιάσει εμφανή σημεία βλάβης (η απώλεια βάρους λόγω απότριψης να μην ξεπερνά π.χ. το 5% του αρχικού βάρους) και χωρίς να μειωθεί η μηχανική του αντοχή πάνω από περίπου 25% της αρχικής της τιμής Επιφανειακή φθορά: Το φαινόμενο της επιφανειακής φθοράς σχετίζεται με τη σκληρότητα ενός υλικού, δηλαδή την αντίσταση που προβάλλει η επιφάνειά του στη χάραξη από άλλο σώμα. 21

22 Ανθεκτικότητα σε Διάρκεια: αναφέρεται μόνο (εν μέρει) στις μηχανικές ιδιότητες των υλικών ικανότητα των υλικών να να αντιστέκονται στην αλλοίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών τους Κύκλοι ψύξης/απόψυξης: αντοχή σε παγετό είναι η ικανότητα ενός κορεσμένου με νερό υλικού να υποστεί διαδοχικούς κύκλους (περίπου 25-40) πήξης και τήξης του νερού χωρίς να παρουσιάσει εμφανή σημεία βλάβης (η απώλεια βάρους λόγω απότριψης να μην ξεπερνά π.χ. το 5% του αρχικού βάρους) και χωρίς να μειωθεί η μηχανική του αντοχή πάνω από περίπου 25% της αρχικής της τιμής Επιφανειακή φθορά: Το φαινόμενο της επιφανειακής φθοράς σχετίζεται με τη σκληρότητα ενός υλικού, δηλαδή την αντίσταση που προβάλλει η επιφάνειά του στη χάραξη από άλλο σώμα. 22

23 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα Πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση.